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I risultati potrebbero consentire di realizzare superconduttori ad alta temperatura e dispositivi di calcolo quantistico.
Composta da un singolo strato di atomi di carbonio collegati in un modello a nido d’ape esagonale, la struttura del grafene è semplice e apparentemente delicata. Dalla sua scoperta nel 2004, gli scienziati hanno scoperto che il grafene è in realtà eccezionalmente forte. E sebbene il grafene non sia un metallo, conduce l’elettricità a velocità elevatissime, meglio della maggior parte dei metalli.
Nel 2018, gli scienziati del MIT guidati da Pablo Jarillo-Herrero e Yuan Cao hanno scoperto che quando due fogli di grafene sono posti uno sopra l’altro, leggermente sfalsati, formando una sorta di “angolo magico”, la nuova struttura “intrecciata” del grafene può diventare un isolante, bloccando completamente l’elettricità che fluisce attraverso il materiale, o paradossalmente, un superconduttore. È stata una scoperta fondamentale che ha contribuito a lanciare un nuovo campo di studi noto come “twistronics”, lo studio del comportamento elettronico in grafene contorto e in altri materiali.
Ora il team del MIT riporta gli ultimi progressi in questo campo in due articoli pubblicati questa settimana sulla rivista Nature.
Nel primo studio, i ricercatori, insieme ai collaboratori del Weizmann Institute of Science, hanno immaginato e mappato per la prima volta un’intera struttura di grafene attorcigliata, con una risoluzione abbastanza fine da poter vedere leggere variazioni dell’angolo di torsione locale attraverso l’intera struttura.
I risultati hanno messo in luce regioni all’interno della struttura in cui l’angolo tra gli strati di grafene si è leggermente allontanato dall’offset medio di 1,1 gradi.
Il team ha rilevato queste variazioni con una risoluzione angolare altissima, di 0,002 gradi. Ciò equivale a riuscire a vedere l’angolo di una mela contro l’orizzonte a un miglio di distanza.
Hanno scoperto che le strutture con una gamma più ristretta di variazioni angolari avevano proprietà esotiche più pronunciate, come l’isolamento e la superconduttività, rispetto alle strutture con una gamma più ampia di angoli di torsione.
“Questa è la prima volta che un intero dispositivo è stato mappato per vedere qual è l’angolo di torsione in una determinata regione del dispositivo“, afferma Jarillo-Herrero, professore di fisica al MIT. “E vediamo che puoi avere un po’ di variazione e mostrare ancora superconduttività e altri comportamenti esotici, ma non più di tanto. Abbiamo caratterizzato quanta variazione di torsione è possibile avere e qual è l’effetto di degradazione se si va oltre.”
Nel secondo studio, il team riferisce di aver creato una nuova struttura di grafene attorcigliata non con due, ma quattro strati di grafene. I ricercatori hanno osservato che la nuova struttura ad “angolo magico” a quattro strati è più sensibile a determinati campi elettrici e magnetici rispetto al modello a due strati. Ciò suggerisce che i ricercatori potrebbero essere in grado di studiare più facilmente e in modo controllabile le proprietà esotiche del grafene ad “angolo magico” nei sistemi a quattro strati.
“Questi due studi mirano a comprendere meglio il comportamento fisico sconcertante dei dispositivi twistronics ad angolo magico“, afferma Cao, un dottorando al MIT. “Una volta compresi meglio, i fisici ritengono che questi dispositivi potrebbero aiutare a progettare una nuova generazione di superconduttori ad alta temperatura, dispositivi per l’elaborazione di informazioni quantistiche e tecnologie a bassa energia.”
Come le rughe nell’involucro di plastica
Da quando Jarillo-Herrero e il suo gruppo hanno scoperto per la prima volta il grafene ad “angolo magico”, altri ricercatori hanno colto al volo l’opportunità di osservarne e misurarne le proprietà. Diversi gruppi hanno immaginato strutture ad “angolo magico”, usando la microscopia a effetto tunnel (STM, Scanning Tunneling Microscope), una tecnica in grado di scansionare una superficie a livello atomico. Tuttavia, utilizzando questo approccio, i ricercatori sono stati in grado di scansionare solo piccole chiazze di grafene che si estendono al massimo per poche centinaia di nanometri quadrati.
“Andare su un’intera struttura in scala micron per guardare milioni di atomi è qualcosa di non adatto ad un STM“, afferma Jarillo-Herrero. “In linea di principio potrebbe essere fatto, ma richiederebbe un’enorme quantità di tempo.”
Quindi il gruppo si è consultato con i ricercatori del Weizmann Institute for Science, che avevano sviluppato una tecnica di scansione chiamata “scan nano-SQUID”, dove SQUID è l’acronimo di Superconducting Quantum Interference Device. I SQUID convenzionali assomigliano a un piccolo anello bisecato, le cui due metà sono realizzate in materiale superconduttore e unite tra loro da due giunzioni. Montato attorno alla punta di un dispositivo simile a un STM, un SQUID può misurare il campo magnetico di un campione che scorre attraverso l’anello su una scala microscopica. I ricercatori del Weizmann Institute hanno ridimensionato il design SQUID per rilevare i campi magnetici su scala nanometrica.
Quando il grafene ad “angolo magico” viene posizionato in un piccolo campo magnetico, genera correnti persistenti attraverso la struttura, a causa della formazione di quelli che sono noti come “livelli di Landau”. Questi livelli di Landau, e quindi le correnti persistenti, sono molto sensibili all’angolo di torsione locale, ad esempio, dando luogo a un campo magnetico di diversa intensità, a seconda del valore preciso dell’angolo di torsione locale. In questo modo, la tecnica nano-SQUID può rilevare regioni con piccoli offset da 1,1 gradi.
“Si è rivelata una tecnica straordinaria in grado di rilevare minime variazioni dell’angolo di 0,002 gradi rispetto a 1,1 gradi“, afferma Jarillo-Herrero. “Ottimo per la mappatura del grafene ad angolo magico.”
Il gruppo ha usato questa tecnica per mappare due strutture ad angolo magico: una con una gamma ristretta di variazioni di torsione e un’altra con una gamma più ampia.
“Abbiamo posizionato un foglio di grafene sopra l’altro, in modo simile al posizionamento di due involucri di plastica“, afferma Jarillo-Herrero. “Ti aspetteresti che ci siano rughe e regioni in cui i due fogli sono un po’ contorti, alcuni meno contorti, proprio come vediamo nel grafene.”
I ricercatori hanno scoperto che la struttura con una gamma più ristretta di variazioni di torsione aveva proprietà più pronunciate della fisica esotica, come la superconduttività, rispetto alla struttura con più variazioni di torsione.
“Ora che possiamo vedere direttamente queste variazioni di torsione locali, potrebbe essere interessante studiare come progettare le variazioni degli angoli di torsione per ottenere diverse fasi quantiche in un dispositivo“, afferma Cao.
Fisica sintonizzabile
Negli ultimi due anni, i ricercatori hanno sperimentato diverse configurazioni di grafene e altri materiali per vedere se torcendoli ad alcuni angoli avrebbe messo in evidenza un comportamento fisico diverso. Il gruppo di Jarillo-Herrero si chiedeva se l’affascinante fisica del grafene ad angolo magico avrebbe resistito se avesse espanso la struttura, per compensare non due, ma quattro strati di grafene.
Dalla scoperta del grafene circa 15 anni fa, è stata rivelata un’enorme quantità di informazioni sulle sue proprietà, non solo come un singolo foglio, ma anche impilate e allineate in più strati: una configurazione simile a quella che trovi nella grafite o nella matita.
“Il grafene bilayer – due strati ad un angolo di 0 gradi l’uno dall’altro – è un sistema di cui comprendiamo bene le proprietà“, afferma Jarillo-Herrero. “I calcoli teorici hanno dimostrato che nella struttura a doppio strato, nel bilayer superiore la gamma di angoli su cui si sarebbero verificati interessanti fenomeni fisici è maggiore. Quindi questo tipo di struttura potrebbe essere più adatta in termini di fabbricazione di dispositivi.”
In parte ispirati da questa possibilità teorica, i ricercatori hanno fabbricato una nuova struttura ad “angolo magico”, compensando un doppio strato di grafene con un altro doppio strato di 1,1 gradi. Quindi hanno collegato la nuova struttura attorcigliata a “doppio strato” a una batteria, hanno applicato una tensione e hanno misurato la corrente che scorreva attraverso il dispositivo mentre ponevano la struttura in varie condizioni, come un campo magnetico e un campo elettrico perpendicolare.
Proprio come le strutture ad “angolo magico” realizzate con due strati di grafene, la nuova struttura a quattro strati ha mostrato un comportamento isolante esotico. Ma in modo univoco, i ricercatori sono stati in grado di sintonizzare questa proprietà isolante su e giù con un campo elettrico – qualcosa che non è possibile con il grafene ad “angolo magico” a due strati.
“Questo sistema è altamente sintonizzabile, il che significa che abbiamo un sacco di possibilità di controllo, che ci permetterà di studiare cose che non possiamo capire con il grafene ad “angolo magico” monostrato“, dice Cao.
“È ancora molto presto per affermazioni sul campo”, afferma Jarillo-Herrero. “Per il momento, la comunità della fisica è affascinata solo dai suoi fenomeni. Le persone fantasticano sul tipo di dispositivi che potremmo realizzare, ma si rendono conto che è ancora troppo presto e abbiamo ancora molto da imparare su questi sistemi. ”
Questa ricerca è stata finanziata, in parte, dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, dalla National Science Foundation, dalla Gordon and Betty Moore Foundation e dal Sagol Weizmann-MIT Bridge Program.
